L'utilisation de systèmes multiphasés de conversion électromécanique connaît une croissance continue dans divers domaines comme l'énergie et l'électrification des transports. Cette thèse vise à proposer des solutions technologiquement viables permettant de concevoir des convertisseurs de puissance adaptés à des applications contraignantes tant vis-à-vis des performances qu'à l'environnement physique: haut rendement, haute température ambiante, volume réduit, modularité, etc. Les technologies de composants semi - conducteurs à large bande interdite sont étudiées (carbure de silicium et nitrure de gallium) afin de les intégrer dans des modèles de co-simulation avec des machines électriques hexaphasées. D'autre part, une analyse thermique en trois dimensions de systèmes d'électronique de puissance pour ce type d'application est proposée, le calcul numérique par éléments finis permettant de modéliser au mieux le système en tenant compte des diverses contraintes de l'application. Enfin, une validation expérimentale de la technologie du semi - conducteur est menée à bien / The use of multiphase electromechanical conversion systems is increasing steadily in different fields like energy and transportation. This thesis aims to propose solutions which are technologically viable, allowing to design power converters for severe applications: both in terms of performances (high efficiency, modularity, etc.) and physical environment (high ambient temperature, reduced volume...). Wide band gap semiconductor technologies are studied (silicon carbide and gallium nitride) in order to integrate them in co-simulation models with hexaphase machines. Besides, a 3D thermal analysis of power electronic systems for such applications is proposed, knowing that the finite element model considers different severe requirements of the system. An experimental validation of the semiconductor technology is carried out successfully

L'oxyde de grille des composants peut subir un claquage suite au passage d'un ion lourd unique au travers d'un événement appelé « Single Event Gate Rupture » (SEGR). Dans certains cas, aucune dégradation apparente n'est observée après irradiation bien qu'une interaction ait eue lieu au sein de la couche d'oxyde. Nous parlons alors de la création de défauts latents au sein de la couche isolante. L'objet de cette thèse consiste à évaluer l'impact de ce type de défaut sur la dé-fiabilisation des systèmes de conversion d'énergie embarqués à bord des satellites. En Europe, les principaux maîtres d'œuvre dans la fabrication des satellites se trouvent aujourd'hui face au problème que pose la prise en compte de ces défauts latents. En effet, pour garantir la fiabilité du système de conversion d'énergie, les transistors MOS de puissance doivent suivre une procédure de qualification radiation basée sur la méthode de test militaire américaine MIL-STD-750E/1080. Cette méthode est identique en tout point au standard européen mais recommande en plus, d'effectuer un stress électrique post radiation (Post Gate Stress Test, PGST) afin de révéler la présence d'éventuels défauts latents créés pendant l'irradiation. L'objet de ce travail est d'amener des résultats scientifiques permettant de statuer sur la pertinence du PGST. / At present, space actors are highly concerned with heavy ion-induced power MOSFETs hard failures and in particular by oxide rupture after heavy ion irradiations. In order to guarantee the reliability of space systems, contractors have to follow qualification procedures. The US military standard for heavy ion testing, MIL-STD-750E method 1080, recommends performing a post irradiation test (Post Gate Stress Test PGST) in order to reveal latent defects sites that might have been created during irradiation. Unfortunately, this type of test can only be considered as a pass or fail test. With a too much restrictive approach, rare are the devices to be qualified. Even if the US test method is accurate on most of the points, the main issue is related to the Post-irradiation Gate Stress. What is lacking is that this part of the US Test Standard has neither been dedicated to real space missions nor adapted to space environment. The PGST has even no physical basis justifying performing it for space applications. Working from fundamental to applicative, we aim at drawing test standards dedicated to the engineer in charge of space applications. The qualification of power MOSFETs for space applications is one of the major challenges for European space actors. The goal of this thesis is first to focus on latent defects formation criteria and then, to show under which conditions the post irradiation gate stress test might be relevant or not.

Les composants à grille isolée, omniprésents dans les structures de conversion d'énergie, sont soumis à des exigences de plus en plus poussées : performances électriques, intégrabilité, fiabilité... Nous avons modélisé le comportement électrique dynamique de MOSFETs de puissance à partir de leurs caractéristiques physiques et géométriques. Cette modélisation, validée par la réalisation de prototypes, permet un dimensionnement des besoins énergétiques du composant en commutation, autorisant ainsi l'étude de solutions permettant l'intégration de l'alimentation de l'étage de commande. Deux structures d'auto-alimentation, compatibles avec la filière technologique du composant principal, ont été développées. Enfin, des travaux d'optimisation, portant sur la géométrie du composant, montrent qu'il est possible de dimensionner ce dernier de manière à minimiser ses besoins énergétiques en commutation, perspective intéressante pour l'intégration.

Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire, portent sur la conception et l'étude de MOSFETs de puissance faible tension pour des applications automobiles micro-hybrides de type alterno-démarreur. Pour certaines de ces applications, en plus des modes de fonctionnement standards passant et bloqué, les composants développés doivent être capables de fonctionner en mode d'avalanche à fort courant et à des températures élevées. Pour reproduire en laboratoire ces conditions de fonctionnement, les MOSFETs sont soumis à un test UIS répétitif spécifique. Afin d'évaluer la température du silicium pendant ce test, plusieurs méthodes de mesure de température ont été développées et comparées. En parallèle, un suivi des paramètres électriques standards (BVDSS, IDSS, RDSon&) tout au long du test est effectué, dans le but de déterminer l'impact de l'avalanche répétitive sur le transistor. Seule la RDSon des MOSFETs semble évoluer avec le nombre d'impulsions d'avalanche. Ce phénomène est expliqué par la méthode de mesure de RDSon et par la variation de la résistance du métal source pendant le cyclage. En effet, différentes observations ont permis de constater un vieillissement de la métallisation de source du composant, accompagné d'une modification de sa résistivité. Divers types de métaux et de techniques d'assemblage ont alors été expérimentés pour tenter de limiter cet effet. Aussi des structures de test ont été conçues pour étudier l'évolution du métal et pour pouvoir comparer rapidement le comportement de différentes métallisations.

L'objectif de cette thèse s'oriente principalement sur l'étude du de puisclaquage post-radiatif des MOSFET sances irradiés aux ions lourds. Nous avons pu constater, pour la première fois, une réduction des paramètres de fiabilité et de durée de vie des MOSFET de puissance irradiés aux ions lourds grâce à un protocole de test combinant les connaissances sur les effets des rayonnements et des tests électriques accélérés. Les MOSFET ont été irradiés principalement en absence de polarisation, dans le but de discriminer tout effet dû aux polarisations. Grâce à des irradiations réalisées à différentes valeurs d'énergie, nous nous sommes intéressés aux effets de l'énergie des particules et des pertes d'énergie associées. Nous avons pu constater que la dégradation de la fiabilité des MOSFET ne peut pas être corrélée uniquement à l'énergie perdue par excitation électronique (LET), ou pour des ions avec la même valeur de LET obtenue pour deux énergies différentes, le pire cas a été observé à l'énergie la plus faible. Cette dégradation est même plus importante que celle obtenue à la valeur maximale de LET (au pic de Bragg). Appuyé par des résultats obtenus grâce à des irradiations aux neutrons, nous avons pu proposer une hypothèse qui est basée sur une corrélation entre l'effet des pertes d'énergie associées aux passages des ions et les mécanismes de claquage des diélectriques. / The goal of this thesis is oriented mainly on the study of Post Irradiation Gate Stress (PiGS) of power MOSFETs irradiated with heavy ions. We have seen, for the first time, a reduction of reliability parameters and lifetime of power MOSFETs irradiated with heavy ions using a test panel combining the knowledge of the effects of radiation and accelerated electrical test. MOSFETs were irradiated mainly with no polarization, in order to discriminate any effect attributed to the polarizations. Using irradiation performed at different energy values, we investigated the effects of the energy and energy lost by ionizing and non ionizing process. We have seen that the reliability degradation of MOSFETs can't be correlated only to the energy lost by electron excitation (LET), or ions with the same LET value obtained for two different energies, the worst case was observed at the lowest energy. This degradation is even greater than that obtained with the maximum value of LET (the Bragg peak). Supported by results obtained by neutrons irradiation, we could propose a hypothesis that is based on a correlation between the effect of energy lost associated with the passage of ions and mechanisms of dielectric breakdown.

L’environnement radiatif naturel est connu pour être sévère sur les composants électroniques de puissance. Il est caractérisé par des particules chargées électriquement, notamment des ions lourds et des protons. Dans le contexte avionique, c’est maintenant essentiel d’estimer les effets de dites particules : les MOSFETs de puissance sont en fait largement utilisés pour les caractéristiques électriques et le coût. Cette étude s’occupe de la prédiction du Single Event Effect (SEB) dans les MOSFETs de puissance : sur la base d’une analyse physique à travers des simulations TCAD, lemodèle de prédiction DELPHY est construit pour calculer les taux d’occurrence du SEB généré par ions lourds et protons. Le SEB provient de la génération d’une charge dans le composant, qui évolue via un courant élevé et auto-alimenté, ayant comme conséquence la destruction thermique du composant. Le SEB a été étudié dans ses différents aspects : c’est admit qu’il dépend de plusieurs facteurs, notamment la géométrie du composant, son dopage et sa polarisation ; la nature et le LET (Linear Energy Transfer) de la particule, le lieu et l’angle d’impact. Tous ces paramètres ne peuvent pas être contrôlés, et le compromis entre le coût et la fonctionnalité limite la mise en place des solutions de durcissement. Pour cette raison, un modèle de prédiction de l’occurrence SEB est nécessaire, ce qui fait l’objet de cette étude. Le modèle DELPHY est basé sur l’analyse physique du Single Event Burnout, à travers la simulation composant 2D TCAD, afin de maîtriser les paramètres cités auparavant qui sont pertinents pour le phénomène. Deux différentes topologies de composant on été étudiées (HEXFET et STRIPFET). A partir de cette analyse, une loi empirique de déclenchement a été calculée et un critère SEB basé sur le champ électrique et la charge déposée dans la couche epitaxiée a été défini. Les sections efficaces SEB ont été calculées pour des injections d’ions lourds. En prenant en compte la probabilité différentielle de génération des particules secondaires sous impact proton, les taux SEB ont été prédis aussi pour le cas du SEB généré par les protons. Toutes les sections efficaces calculées ont été comparées avec succès aux données expérimentales : d’abord avec les caractérisations composant publiées par le CNES ; en suite dans le cadre d’une étude spécifique commune ONERA-CERN afin de caractériser la prochaine génération des convertisseurs de puissance dans le Large Hadron Collider. DELPHY propose donc d’avoir un rôle essentiel comme instrument de prédiction SEB, et trace la route pour une amélioration de l’estimation des taux SEB. / The natural radiation environment has proved to be particularly harsh on power electronics devices. It is characterized by electrically charged particles such as heavy ions and protons among others. In particular, inside the atmosphere it has now become essential to estimate the effects of these particles: power MOSFETs in fact are widely used because of their appealing electrical characteristics and costs, thus making the prediction of destructive effects one of the fundamental parts of the project. This work focuses on the prediction of Single Event Burnout (SEB) inside power MOSFETs: based on physical analysis through TCAD simulations, the predictionmodel DELPHY is built in order to calculate occurrence rates of heavy ion and proton induced SEB. SEB consists of a charge generation inside the device, which evolves into a high and self-sustained current, whose main consequence is the thermal destruction of the component. SEB has been deeply studied in several aspects: it is now established that it depends on multiple factors, such as component geometry, doping and bias; particle nature and Linear Energy Transfer, impact location and angle. A power electronics designer does not have control over all the cited parameters, and the trade-off between cost and functionality limits the application of hardness measures at circuit and device level. For this reason, a SEB rate prediction model is neededand represents the object of this work. DELPHY model moves from physical analysis of SEB, performed with TCAD 2D simulations, in order to control the aforementioned factors which are relevant for the phenomenon. Two different MOSFET topologies have been studied (HEXFET and STRIPFET). Starting from this analysis, an empirical triggering law has been calculated and a SEB criterion based on electric field and charge deposition inside the epitaxial layer has been defined. SEB cross sections have then been calculated for heavy ion impacts. Taking into account the differential probability of secondary generation by proton impact, a SEB rate has been predicted also for proton induced SEB. All the calculated cross sections have been successfully compared to experimental data: firstly from a device characterization published by CNES; and secondly in the frame of a dedicated joint study ONERA-CERN to characterize next generation of Large Hadron Collider power converters. As a general conclusion, DELPHY model leads the way as a valid SEB prediction tool and opens new roads for enhancement of SEB rates estimation.

Dans le contexte écologique actuel, les équipementiers automobiles européens sont dans l’obligation de développer des systèmes innovants afin de réduire les rejets de gaz à effet de serre des véhicules. Les nouvelles applications électroniques micro-hybrides exigent le développement de stratégies quant à l’intégration des systèmes et la réduction des pertes. Ainsi, une proposition a consisté à réaliser des modules de puissance constitués de transistors MOSFETs basse tension fort courant. L’application de type alterno-démarreur plus communément nommée « Stop & Start »exige des composants toujours plus robustes et fiables du fait de la sollicitation en mode d’avalanche sous des températures pouvant atteindre 175°C.Les travaux de recherche présentés dans cette thèse portent donc sur l’aspect d’optimisation de la robustesse et de la fiabilité des composants. Tout d’abord, il était essentiel de comprendre l’avalanche et ses enjeux pour la technologie. Ensuite dans ce contexte, le procédé notamment autour de l’oxyde de grille a été amélioré afin de garantir la tenue en mode de sollicitation grille-source et grille-drain pour satisfaire les exigences de fiabilité. En outre, le développement d’un test innovant de la puce, dérivé du QBD, a permis d’évaluer précisément les modifications apportées sur le procédé de fabrication et d’être corrélé avec les résultats des essais de fiabilité. Enfin, le cycle de vie d’un MOSFET nécessite un suivi qualité précis qui se compose de deux aspects essentiels. En premier lieu, le suivi des paramètres électriques et de leur dérive par une analyse statistique « postprocessing». En second lieu, la mise en place d’un outil de traçabilité du module à la puce pour traquer les éventuels rejets dans l’application finale et remonter à la cause d’origine. Toutes les innovations présentées, dans ce mémoire, s’inscrivent dans une démarche novatrice de l’amélioration continue de la qualité des composants de type MOSFET de puissance / In the current ecologic context, the European automotive suppliers have to develop innovating systems inorder to reduce greenhouse gas rejects produce by vehicles. The new mild-hybrid electronic applications require the development of new strategies due to their integration and the reduction of power losses.Thereby, a proposition consisted in creating power modules constituted by MOSFETs characterized by alow blocking voltage under high current. The starter alternator reversible application also named “Stop &Start” requires robust and reliable components in order to support a high current solicitation in avalanche mode for temperatures up to 175°C.Research work presented in this thesis concerns the robustness and reliability enhancement of MOSFET components. First of all, the important part is about avalanche mode understanding and their issues. Inthis context, the fabrication process is a main part for quality and reliability requirements. Then, the workis focused on gate oxide process quality in order to hold gate-source and gate-drain stress modes.Moreover, the development of an innovating test at wafer level derivate from QBD test, allowed the precise evaluation of process modification thanks to the correlation with reliability campaign results. Finally, theMOSFET life cycle needs a quality monitoring constituted by two main steps. The first one is the monitoring of electrical parameters in time with a post-processing statistical analysis. The second one is the use of a traceability tool between the power module and the silicon die in order to highlight possible defects in the final starter alternator application, and understand failure root causes. The innovations presented in this thesis are included in the continued improvement approach for MOSFETs quality and robustness enhancement.

Les systèmes d’imagerie médicale, principalement les systèmes à rayons X, sont devenus incontournables dans le diagnostic et le traitement des maladies complexes. Le générateur à rayons X fait partie des sous-systèmes critiques d’un système à rayons X. La technologie des générateurs à rayons X se complexifie et les contraintes vues par les composants augmentent. L’évaluation de la fiabilité du générateur à rayons X est par conséquent nécessaire afin d’optimiser la durée de vie de ce dernier. Dans ces travaux de thèse, une méthodologie d’évaluation de la fiabilité d’un générateur à rayons X est proposée. La méthodologie repose sur l’évaluation de la fiabilité allant du composant au système. Des essais de vieillissement sont d’abord réalisés au niveau des composants critiques du générateur afin d’identifier les mécanismes de défaillance et de construire les courbes de durée de vie permettant d’effectuer une prévision de fiabilité. Les paramètres du recueil de fiabilité FIDES ont aussi été utilisés pour construire les courbes de durée de vie des composants critiques. Une méthode de prévision de la fiabilité basée sur l’hypothèse du dommage cumulé avec la règle de Miner est proposée pour évaluer la durée de vie des composants critiques sous contraintes thermomécaniques. Cette méthode utilise les règles de comptage rainflow pour obtenir une distribution des différences de température vues par les composants critiques. Une association de fiabilité permet enfin d’estimer la durée de vie de chaque sous système du générateur à rayons X à travers ses composants critiques. / Medical imaging systems, mainly X-rays imaging systems, have become essential in the diagnosis and treatment of complex diseases. X-rays generator is one of the critical subsystems of a medical system. Its technology became more complex and constraints seen by the components increase. An assessment of X-rays generator reliability is therefore necessary to optimize its lifetime. In this thesis, a reliability assessment method of an X-rays generator is proposed. The methodology is based on the assessment of the reliability from component to system. Aging tests are first performed for X-rays generator critical components in order to identify failure mechanisms and build lifetime curves for performing reliability prediction. FIDES guide parameters were also used to construct critical components lifetime curves. A reliability prediction method based on the assumption of cumulative damage with Miner's rule is proposed to evaluate critical components lifetime under thermomechanical stresses. This method uses rainflow counting rules for the temperature cycles distribution of critical components. A reliability block diagram is finally used to estimate the lifetime of each X-ray generator subsystem through its critical components.

L'électronique de puissance a un rôle de plus en plus grandissant dans les systèmes de transports : voitures électriques et hybrides, trains et avions. Pour ces applications, la sécurité est un point critique et par conséquent la fiabilité du système de puissance doit être optimisée. La connaissance du temps de fonctionnement avant défaillance est une donnée recherchée par les concepteurs de ces systèmes. Dans cette optique, un indicateur de défaillance précoce permettrait de prédire la défaillance des systèmes avant que celle-ci soit effective. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la caractérisation électromécanique des puces de puissance IGBT et MOSFET. L'exploitation de cette caractérisation devrait permettre, à plus long terme, de mettre en évidence un indicateur de l'état mécanique des assemblages de puissance à des fins de fiabilité prédictive.

L’électronique de puissance a un rôle de plus en plus grandissant dans les systèmes de transports : voitures électriques et hybrides, trains et avions. Pour ces applications, la sécurité est un point critique et par conséquent la fiabilité du système de puissance doit être optimisée. La connaissance du temps de fonctionnement avant défaillance est une donnée recherchée par les concepteurs de ces systèmes. Dans cette optique, un indicateur de défaillance précoce permettrait de prédire la défaillance des systèmes avant que celle-ci soit effective. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la caractérisation électromécanique des puces de puissance IGBT et MOSFET. L’exploitation de cette caractérisation devrait permettre, à plus long terme, de mettre en évidence un indicateur de l’état mécanique des assemblages de puissance à des fins de fiabilité prédictive. / Power electronics has a role increasingly growing up in transport:electric and hybrid vehicles, trains and aircraft. For these applications, security is a critical point, thus the reliability of the power assembly must be optimized. The knowledge of time to failure is very important information for the designers of these systems. Inthis context, an early failure indicator would predict system failuresbefore it becomes effective. In this thesis, we focused on the electromechanical characterization of power transistors: MOSFET and IGBT. Based on these results this electromechanical characterization should help us in the longer term, to highlight an early failure indicator of the power assembly.